Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
6 results
Search Results
Item Open Access STEP : sequence of time-aligned edge plots(2024) Abdelaal, Moataz; Kannenberg, Fabian; Lhuillier, Antoine; Hlawatsch, Marcel; Menges, Achim; Weiskopf, DanielWe present sequence of time-aligned edge plots (STEP) : a sequence- and edge-scalable visualization of dynamic networks and, more broadly, graph ensembles. We construct the graph sequence by ordering the individual graphs based on specific criteria, such as time for dynamic networks. To achieve scalability with respect to long sequences, we partition the sequence into equal-sized subsequences. Each subsequence is represented by a horizontal axis placed between two vertical axes. The horizontal axis depicts the order within the subsequence, while the two vertical axes depict the source and destination vertices. Edges within each subsequence are depicted as segmented lines extending from the source vertices on the left to the destination vertices on the right throughout the entire subsequence, and only the segments corresponding to the sequence members where the edges occur are drawn. By partitioning the sequence, STEP provides an overview of the graphs’ structural changes and avoids aspect ratio distortion. We showcase the utility of STEP for two realistic datasets. Additionally, we evaluate our approach by qualitatively comparing it against three state-of-the-art techniques using synthetic graphs with varying complexities. Furthermore, we evaluate the generalizability of STEP by applying it to a graph ensemble dataset from the architecture domain.Item Open Access Agent-based principal strips modeling for freeform surfaces in architecture(2024) Chai, Hua; Orozco, Luis; Kannenberg, Fabian; Siriwardena, Lasath; Schwinn, Tobias; Liu, Hanning; Menges, Achim; Yuan, Philip F.The principal curvature (PC) of a freeform surface, as an important indicator of its fundamental features, is frequently used to guide their rationalization in the field of architectural geometry. The division of a surface using its PC lines into principal strips (PSs) is an innovative way to break down a freeform surface for construction. However, the application of PC networks in architectural design is hindered by the difficulty to generate them and flexibly control their density. This paper introduces a method for PS-based reconstruction of freeform surfaces with different umbilical conditions in the early stages of design. An agent-based modeling approach is developed to find the umbilics and increase the degree of control over the spacing of PC lines. This research can effectively expand the application range of PS-based surface reconstruction methods for freeform architectures.Item Open Access Visual analysis of fitness landscapes in architectural design optimization(2024) Abdelaal, Moataz; Galuschka, Marcel; Zorn, Max; Kannenberg, Fabian; Menges, Achim; Wortmann, Thomas; Weiskopf, Daniel; Kurzhals, KunoIn architectural design optimization, fitness landscapes are used to visualize design space parameters in relation to one or more objective functions for which they are being optimized. In our design study with domain experts, we developed a visual analytics framework for exploring and analyzing fitness landscapes spanning data, projection, and visualization layers. Within the data layer, we employ two surrogate models and three sampling strategies to efficiently generate a wide array of landscapes. On the projection layer, we use star coordinates and UMAP as two alternative methods for obtaining a 2D embedding of the design space. Our interactive user interface can visualize fitness landscapes as a continuous density map or a discrete glyph-based map. We investigate the influence of surrogate models and sampling strategies on the resulting fitness landscapes in a parameter study. Additionally, we present findings from a user study ( N = 12), revealing how experts’ preferences regarding projection methods and visual representations may be influenced by their level of expertise, characteristics of the techniques, and the specific task at hand. Furthermore, we demonstrate the usability and usefulness of our framework by a case study from the architecture domain, involving one domain expert.Item Open Access Rubble Works: Leveraging digital technologies for design and construction with mixed mineral construction and demolition waste(Stuttgart : ICD University of Stuttgart, 2025) Svatoš-Ražnjević, Hana; Wyller, Maria; Schad, Eva; Menges, AchimThis report presents the results of the research project Robots//Reuse, funded by the Research Initiative Zukunft Bau. In this research project, David Chipperfield Architects Berlin and the Institute for Computational Design and Construction at the University of Stuttgart explored the reuse of rubble by looking at how material, techniques, and digital technologies can be combined to make construction and demolition waste relevant to contemporary architecture. Construction and demolition waste (CDW) is Europe’s largest waste stream and a major global problem. Despite an emergent interest and focus in the material group, it does not find its way back into architecture to a sufficient extent as the most widely currently applied recycling practice for CDW is crushing to secondary aggregates. Achieving a circular use of building materials requires both the development of cost-effective and time-efficient technologies that enable the reuse, and an architectural aesthetic that attracts users, investors, and architects to choose to build with it. In the past, the reuse of building materials was common practice, and many renowned architectural projects were built from, for example, reused wood, stones, and brick. These projects showcase both the large and varied aes-thetic potential of reuse. Yet, common for all of them is the dependence on manual labor. Skilled craftspeople would select, adapt and carefully implement found or taken building components and elements into new architecture. Today, the scale of both the mass manufacturing industry and the CDW problem overgoes the scale at which a craftsperson works. The high costs associated with the processing of non-standardized and irregular materials are, next to barri-ers relating to material quality, building code and logistics, one of the greatest barriers to the reuse of CDW in architecture. However, recent advances in robotics and scanning allow us to disassociate the technique from the manual effort and open up new design possibilities. The evolution of manufacturing—from traditional craft production to mass production and then to mass customization—points towards a future of flexible automation. Here, complex fabrication and assembly processes involving non-standardized materials are as efficient in terms of time, cost, and energy-consumption as the production of new materials. Beyond automating existing techniques, digital technologies also offer the chance to develop entirely new ones. While the potential of matching CDW with new building technology has already been explored in other research projects, there seems to be little research compared to the large amount of this type of waste and the research project tend to focus on larger pieces. The aim of the project is through a combined expertise from both practice and academia to explore how a synergy between material, tools and aesthetics can be achieved in the light of four overarching research questions: What are the current limitations of computer-based design and digital fabrication processes used to process and assemble non-standardized building materials? Which digital design processes could be suitable for building with reused building materials? How can the use of computer-based design and digital fabrication methods make the reuse of building materials attractive to architects, companies and users in terms of aesthetics, scalability and efficiency? How can we bridge the gap between architectural design practice and current academic research on the reuse of building materials? Inspired by both traditional crafts and new technologies, these research questions and new potentials for designing with reclaimed materials were explored on a both theoretical and practical level. The project was split into a historical pre-study of reuse in architecture, and a case study focused specifically on rubble. Through methods ranging from an analysis of traditional and contemporary reuse and masonry-related techniques, to material classification and prototyping, we developed different approaches to how to think about, handle and design with rubble. One direction, jammed rubble, was explored in depth along with concepts for robotic rubble placement and pouring. The project is a conceptual, basic research project and although it is out of the project’s scope to develop finished solutions, certifiable building systems, or complete robotic workflows, it provides a starting point for rediscovering the potential of reuse of reclaimed materials through digital tools. The overall outcome of the project is a series of rubble works that, rather than offering a definitive solution to rubble’s challenges, provide a starting point for rediscovering its potential.Item Open Access Rubble Works: Einsatz digitaler Technologien für das Planen und Bauen mit gemischten mineralischen Bau- und Abbruchabfällen(Stuttgart : ICD Universität Stuttgart, 2025) Svatoš-Ražnjević, Hana; Wyller, Maria; Schad, Eva; Menges, AchimDieser Bericht stellt die Ergebnisse des Forschungsprojekts Robots//Reuse vor, das von der Forschungsinitiative Zukunft Bau gefördert wurde. In diesem Forschungsprojekt untersuchten David Chipperfield Architects Berlin und das Institut für Computerbasiertes Entwerfen und Baufertigung an der Universität Stuttgart die Wiederverwendung von Bauschutt, indem sie untersuchten, wie Material, Techniken und digitale Technologien kombiniert werden können, um Bau- und Abbruchabfälle für die zeitgenössische Architektur relevant zu machen. Bau- und Abbruchabfälle (CDW) sind Europas größter Abfallstrom und ein erhebliches globales Problem. Trotz des zunehmenden Interesses und Engagements für die Materialgruppe findet sie nicht in ausreichendem Maße ihren Weg zurück in die Architektur. Die derzeit am weitesten verbreitete Recyclingpraxis für Bauschutt ist die Zerkleinerung zu sekundären Zuschlagstoffen. Um eine zirkuläre Nutzung von Baumaterialien zu erreichen, müssen sowohl kosten- und zeiteffiziente Technologien entwickelt werden, die eine Wiederverwendung ermöglichen, als auch eine architektonische Ästhetik, die Nutzer, Investoren und Architekten dazu veranlasst, mit diesen Materialien zu bauen. In der Vergangenheit war die Wiederverwendung von Baumaterialien gängige Praxis, und viele anerkannte Architekturprojekte wurden z. B. aus wiederverwendetem Holz, Stein und Ziegel gebaut. Diese Projekte zeigen sowohl das große als auch das vielfältige ästhetische Potenzial der Wiederverwendung. Allen gemeinsam ist jedoch die Abhängigkeit von der manuellen Verarbeitung. Erfahrene Handwerker und Handwerkerinnen wählten gefundene oder übernommene Bauteile und Elemente aus, passten sie an und setzten sie sorgfältig in die neue Architektur ein. Heute übersteigt das Ausmaß der Massenproduktion und des CDW-Problems das Ausmaß, in dem eine Handwerkerin oder Handwerker arbeitet. Die hohen Kosten, die mit der Verarbeitung nicht standardisierter und unregelmäßiger Materialien verbunden sind, sind neben den Hindernissen in Bezug auf die Materialqualität, die Bauvorschriften und der Logistik eine der größten Barrieren für die Wiederver-wendung von Bauabfall in der Architektur. Die neuesten Fortschritte im Bereich der Robotik und des Scannens ermöglichen es jedoch, die Technik vom manuellen Aufwand zu entkoppeln und neue Gestaltungsmöglichkeiten zu eröffnen. Die Entwicklung der Fertigung - von der traditionellen handwerklichen Produktion zur Massenproduktion und dann zur individuellen Massenfertigung -weist auf eine Zukunft der flexiblen Automatisierung hin. Hierwerden komplexe Fertigungs- und Montageprozesse mit nichtstandardisierten Materialien in Bezug auf Zeit, Kosten und Energieverbrauch ebenso effizient sein wie die Herstellung neuer Materialien. Nebender Automatisierung bestehender Verfahren bieten digitale Technologien auch die Chance, völlig neue Verfahren zu entwickeln. Zwar wurde das Potenzial der Verknüpfung von CDW mit neuen Gebäudetechnologien bereits in anderen Forschungsprojekten untersucht, doch scheint es im Vergleich zu den großen Mengen dieser Art von Abfällen wenig Forschung zu geben. Ziel des Projektes ist es, durch die Kombination von Fachwissen aus Praxis und Wissenschaft zu erforschen, wie eine Synergie zwischen Material, Werkzeugen und Ästhetik im Lichte von vier übergreifenden Forschungsfragen erreicht werden kann: Wo liegen die derzeitigen Grenzen computergestützter Design- und digitaler Fabrikationsprozesse, die zur Verarbeitung und Montage nicht standardisierter Baumaterialien eingesetzt werden? Welche digitalen Entwurfsprozesse könnten für das Bauen mit wiederverwendeten Baumaterialien geeignet sein? Wie kann der Einsatz computergestützter Design- und digitaler Fabrikationsmethoden die Wiederverwendung von Baumaterialien für Architekten, Unternehmen und Nutzer in Bezug auf Ästhetik, Skalierbarkeit und Effizienz attraktiv machen? Wie können wir die Lücke zwischen des architektonischen Entwurfsprozesses und der aktuellen akademischen Forschung zur Wiederverwendung von Baumaterialien schließen? Inspiriert von traditionellen Handwerksmethoden und neuen Technologien haben wir die Forschungsfragen und neue Möglichkeiten für die Gestaltung mit wiederverwendeten Materialien sowohl auf theoretischer als auch auf praktischer Ebene untersucht. Das Projekt gliederte sich in eine historische Vorstudie zur Wiederverwendung in der Architektur und eine Fallstudie, die sich spezifisch auf Schutt konzentrierte. Mithilfe von Methoden, die von der Analyse traditioneller und zeitgenössischer Wiederverwendung und mauerwerksbezogener Techniken bis hin zur Materialklassifizierung und Prototyping reichen, entwickelten wir verschiedene Ansätze, wie man über Schutt nachdenken, mit ihm umgehen und ihn gestalten kann. Eine Richtung, Jammed Rubble, wurde zusammen mit Konzepten für die robotergestützte Platzierung und Schüttung von Schutt eingehend erforscht. Bei dem Projekt handelt es sich um ein konzeptionelles Grundlagenforschungsprojekt, das zwar nicht die Entwicklung fertiger Lösungen, zertifizierbarer Bausysteme oder kompletter robotergestützter Arbeitsabläufe zum Ziel hat, jedoch einen Ausgangspunkt für die Wiederentdeckung des Potenzials der Wiederverwendung von wiedergewonnenen Materialien mithilfe digitaler Werkzeuge bietet. Das Gesamtergebnis des Projekts ist eine Reihe von Arbeiten - Rubble Works, die keine endgültige Lösung für die Herausforderungen von Schutt bieten, sondern einen Ausgangspunkt für die Wiederentdeckung ihres Potenzials darstellen.Item Open Access Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic 4D-printing(2024) Cheng, Tiffany; Tahouni, Yasaman; Sahin, Ekin Sila; Ulrich, Kim; Lajewski, Silvia; Bonten, Christian; Wood, Dylan; Rühe, Jürgen; Speck, Thomas; Menges, AchimIn response to the global challenge of reducing carbon emissions and energy consumption from regulating indoor climates, we investigate the applicability of biobased cellulosic materials and bioinspired 4D-printing for weather-responsive adaptive shading in building facades. Cellulose is an abundantly available natural material resource that exhibits hygromorphic actuation potential when used in 4D-printing to emulate motile plant structures in bioinspired bilayers. Three key aspects are addressed: (i) examining the motion response of 4D-printed hygromorphic bilayers to both temperature and relative humidity, (ii) verifying the responsiveness of self-shaping shading elements in lab-generated conditions as well as under daily and seasonal weather conditions for over a year, and (iii) deploying the adaptive shading system for testing in a real building facade by upscaling the 4D-printing manufacturing process. This study demonstrates that hygromorphic bilayers can be utilized for weather-responsive facades and that the presented system is architecturally scalable in quantity. Bioinspired 4D-printing and biobased cellulosic materials offer a resource-efficient and energy-autonomous solution for adaptive shading, with potential contributions towards indoor climate regulation and climate change mitigation.